Fly Higher Guia del profesor T IV La Ciencia de Volar

Transcripción

Guía del Profesor para la Tutoría
Fly Higher Nº 4
Aviones en el aire:
La Ciencia de Volar
Guía del Profesor para la Tutoría “Aviones en el aire: La ciencia de volar”
Sobre este documento
Este documento forma parte de la cuarta y más técnica tutoría del proyecto Fly Higher
“AVIONES EN EL AIRE: La Ciencia de Volar” que sirven de apoyo al archivo PowerPoint
adjunto. Su objetivo es dar a los estudiantes un conocimiento más detallado sobre la física
que está detrás de los viajes en avión comercial.
Las leyes de Newton y lo que sabemos del comportamiento de las distintas fuerzas que
actúan sobre el avión son esenciales para la aviación; la tutoría da por supuesto que los
estudiantes ya conocen las Leyes de Newton. Se puede presentar como parte de la serie de
tutorías Fly Higher (aunque es independiente del resto de las tutorías), o como una tutoría
individual que presente a la clase aplicaciones prácticas de la física que han aprendido en el
caso particular de la aeronáutica, que ya forma parte habitual de la vida diaria.
Esta tutoría tiene como objetivo estudiantes de más edad (secundaria) que ya han elegido
estudiar la rama de Ciencias y han profundizado un poco en ella.
Autores
David Quince,
Associate Lecturer in Aeronautics, Coventry University.
John Fairhurst (Editor de la Serie)
European School Headteachers’ Association
Declinación de responsabilidades
Las opiniones expresadas en esta publicación son únicamente las de los autores y no
reflejan necesariamente la opinión oficial de la Unión Europea sobre el tema.
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Índice
Guía del Profesor para la Tutoría Fly Higher Nº 4............................................................................. 1
Aviones en el aire: La Ciencia de Volar ............................................................................................. 1
Sobre este documento......................................................................................................................... 2
Declinación de responsabilidades........................................................................................................ 2
Índice .............................................................................................................................................. 3
Resumen de la Tutoría .................................................................................................................... 5
Esquema de la lección ..................................................................................................................... 6
PowerPoint - Notas adicionales ....................................................................................................... 8
Transparencia 1: Introducción y actividades preliminares .................................................................. 8
Transparencia 2: .................................................................................................................................. 8
Transparencia 3: .................................................................................................................................. 9
Transparencia 4: .................................................................................................................................. 9
Transparencia 5: .................................................................................................................................. 9
Transparencias 6 - 7: .......................................................................................................................... 10
Transparencia 8: ................................................................................................................................ 10
Transparencias 9 - 10: ........................................................................................................................ 10
Transparencia 11: .............................................................................................................................. 10
Transparencia 12: .............................................................................................................................. 11
Transparencia 13: .............................................................................................................................. 11
Transparencia 14: .............................................................................................................................. 12
Transparencia 15: .............................................................................................................................. 12
Transparencia 16: .............................................................................................................................. 12
Transparencias 17 - 18: ...................................................................................................................... 13
Transparencias 19 - 21: ...................................................................................................................... 13
Transparencia 22: .............................................................................................................................. 13
Transparencia 23: .............................................................................................................................. 14
Transparencia 24: .............................................................................................................................. 14
Transparencias 25 - 27: ...................................................................................................................... 15
Transparencia 28: .............................................................................................................................. 15
Páginas web que los alumnos pueden visitar: ................................................................................... 15
Apéndice ............................................................................................................................................ 16
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Resumen de la Tutoría
Intervalo de edades:
La tutoría está diseñada para alumnos de más de 15 años con conocimientos
previos de Física (en particular de lo que es una fuerza y de las leyes de Newton).
Capacidades necesarias:
Medias-altas
Tiempo necesario:
Para una discusión completa: 55 a 60 minutos.
Duración mínima posible: 35 minutos (con cortes).
Materiales necesarios:
•
Ordenador y proyector.
Esquema de la lección
Introducción (Transparencia 1)
Presentación de los objetivos de la tutoría (1 min)
Fase 1. Aerodinámica y Fuerzas Principales
Las bases (Transparencias 2- 3)
Breve presentación de las cuatro fuerzas principales que actúan sobre un avión en vuelo. Revisión
de la definición de fuerza, sus unidades y la diferencia entre peso y masa. (5 – 6 min)
Leyes de Newton y Fuerzas Principales (Opcional. Transparencias 4 – 5)
Presentación de las tres leyes de Newton (4 min)
Actividad de revisión (Opcional 2 – 3 min)
Fase 2. Sustentación y Resistencia en profundidad
Definiciones (Transparencias 6 – 8)
Sustentación, Resistencia, Empuje y Peso; diagramas de fuerza. (4 - 6 min)
Creación de la Sustentación (Transparencias 9 - 12)
Forma del ala y el perfil alar. Superando la Resistencia. (6 – 8 min)
El Coeficiente de Sustentación y otros factores (Transparencias 13 - 15)
Fórmula. Hablar de la Densidad del Aire como factor contribuyente al coeficiente de sustentación,
dando paso a la transparencia 16. (1 – 3 min)
Posible ampliación: Ejercicios sencillos utilizando la fórmula. (Opcional, 5 min)
Densidad del Aire (Transparencia 16)
La transparencia 16 se puede presentar rápidamente o también utilizar como una ocasión para
hablar sobre la importancia que tiene la elección de la localización de un aeropuerto sobre el tipo de
aviones que pueden salir y entrar en él. (1 – 3 min)
Aumentando la Sustentación (Transparencias 17 - 22)
La transparencia 17, que presenta el concepto de Ángulo de Ataque (AoA), se puede pasar
rápidamente o utilizar para establecer un debate en clase sobre qué ocurre cuando éste aumenta. Si el
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tiempo y la capacidad de la clase lo permite se puede pedir que intenten predecir el gráfico que aparece en
la transparencia siguiente (sustentación vs. AoA).
La transparencia 18 es importante – La SUSTENTACIÓN aumenta con el AoA ¡pero a partir de un
punto (de un AoA) disminuye rápidamente! Debate posible sobre por qué esto es tan importante durante
el despegue. (4 – 6 min)
Las transparencias 19 – 22 también son importantes – La RESISTENCIA aumenta a distinta velocidad
dependiendo del ángulo de ataque y en un punto determinado supera a la SUSTENTACIÓN – debate sobre
las implicaciones de lo que ocurre en este punto (punto de entrada en pérdida). (3 – 4 min)
.
Cambiando la forma del ala (Transparencias 23 - 24)
Resumen breve de los efectos de añadir flaps (dispositivos hipersustentadores) a las alas para
cambiar el flujo de aire durante las distintas fases del vuelo. Los principios establecidos por los hermanos
Wright siguen siendo relevantes para los aviones modernos. (3 min)
Maniobrando el Avión (Transparencias 25 - 27)
Estas transparencias muestran la relación entre los tres ejes de movimiento de un avión y su
maniobrabilidad. Indican también qué partes del avión se utilizan para realizar cada uno de estos
movimientos. (Opcional 2 - 4 min)
Fase 3. Recapitulación (Transparencia 28)
Recapitulación de lo cubierto hacienda hincapié que aunque los aviones modernos son mucho más
sofisticados que los que se utilizaron hace más de 100 años en los inicios del vuelo, los principios son los
mismos. Las ideas principales se basan en las teorías de Isaac Newton que se aprenden en el colegio. (1
min)
Esta Tutoría es diferente de las tres anteriores porque deja de ser una introducción y pasa a ser más una
clase de Ciencias, explorando el mundo de la aeronáutica a un nivel apropiado para alumnos de secundaria.
Todos los tiempos son aproximados, se ofrecen como guía. Los debates en clase se pueden alargar o
acortar dependiendo de cómo responda la clase, el tiempo disponible y de si se trabaja en grupos antes de
presentar las ideas al grueso de la clase.
Si se siguen los tiempos mínimos que se sugieren se haría una clase de unos 35-40 minutos, pero esto no
daría tiempo para hablar de los temas en clase con tranquilidad. Utilizar los tiempos mínimos también
supondría saltarse parte de los materiales indicados como opcionales.
Si se siguen los tiempos más altos se haría una clase de 55 - 60 minutos, aunque una clase más madura o
con más conocimientos podría dedicar más tiempo para asegurarse de que se cubren satisfactoriamente
todos los aspectos e ideas que contiene la tutoría. Otras clases pueden necesitar pasar más tiempo en las
oportunidades de revisión indicadas en la guía.
(Una anotación más: Los aviones y las fuerzas que actúan sobre ellos son mucho más complejos de lo que se presenta en esta
tutoría. Los conceptos se han simplificado para adaptarlos al nivel de alumnos de secundaria y para reforzar la importancia de la
mecánica newtoniana).
PowerPoint - Notas adicionales
Transparencia 1: Introducción y actividades preliminares
Dependiendo del nivel de los alumnos se puede hacer una pequeña prueba antes de comenzar la clase
preguntando para que respondan a mano alzada quién se acuerda de las leyes de Newton y si alguien sabe
cómo aparecen en la aviación. (Si han visto las tutorías Fly Higher anteriores puede que alguno recuerde que
los motores a reacción funcionan basándose en la 3ª ley de Newton). No hace falta entrar en mucho detalle
si durante la clase se planea presentar las transparencias 4 y 5.
Transparencia 2:
L = Lift = Sustentación – la fuerza que empuja el avión hacia arriba
W = Weight = Peso – la fuerza que tira del avión hacia abajo
T = Thrust = Empuje – la fuerza que hace que el avión se mueva hacia delante
D = Drag = Resistencia – la fuerza que impide que el avión se mueva hacia delante (empujando el
avión hacia detrás)
Si el avión tiene que subir la Sustentación debe superar al Peso, L > W; para ir a velocidad constante a una
altura fija L = W y para bajar la Sustentación debe ser inferior al Peso (¡pero de un modo controlado!), así L <
W.
Para moverse hacia delante el empuje debe ser mayor que la resistencia, T > D. Como se verá, la
Sustentación depende de este movimiento hacia delante, de tal manera que T ≠ D o si no, el avión se cae –
no puede quedarse quieto flotando en el aire. Tampoco puede volar hacia atrás, es decir, T nunca será
menor que D. Al contrario que los helicópteros, los aviones comerciales no se mantienen inmóviles en un
punto en el aire o vuelan hacia detrás.
(Algunos modelos de aviones militares como el Harrier Jump-Jet, están diseñados para que esto sí sea
posible, pero la ciencia de estos aviones excepcionales está más allá del nivel de esta tutoría).
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Transparencia 3:
La Encyclopaedia Britannica explica que la Fuerza es:
“Cualquier acción que mantiene o modifica el movimiento de un cuerpo o que lo distorsiona/altera. El
concepto de fuerza se suele explicar a través de las tres leyes que Newton presente en su obra Principia
Mathematica (1687). De acuerdo con el primer principio establecido por Newton, un cuerpo que está inmóvil
o que se mueve a velocidad constante en línea recta permanecerá en ese estado hasta que se aplique una
fuerza sobre él.”
La unidad de fuerza en el Sistema Internacional (SI) es el Newton: la fuerza necesaria para acelerar una
masa de 1kg hasta que tome una velocidad de un metro por segundo cada segundo.
La masa (m) es la cantidad de materia que tiene cada objeto. El peso (W) es la fuerza que se ejerce sobre
cada masa debido a la aceleración de la gravedad (g). W (= P) = mg. (De este modo los astronautas pesan
mucho menos en la luna (aproximadamente 1/6 de su peso en la tierra). En Júpiter pesarían mucho más. Su
masa es la misma, pero su peso depende de la fuerza del campo gravitatorio de cada planeta).
Transparencia 4:
La transparencia da por supuesto que los alumnos conocen las leyes de Newton.
El resto del ejercicio se puede hacer de viva voz, aunque si hay tiempo se puede hacer por escrito, quizás por
parejas, antes de la puesta en común en clase. Esto garantizará que todos los alumnos han dedicado un poco
de tiempo a recordar estos conceptos fundamentales.
Transparencia 5:
Cada libro de texto utiliza una redacción distinta para enunciar las leyes de Newton. Se puede adaptar
esta transparencia utilizando el texto del libro que se utiliza por el departamento de Ciencias.
El texto de las tres leyes de Newton que se ha utilizado se ha tomado de:
http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html
En la versión inglesa se ha tomado de:
http://www.physicsclassroom.com/class/newtlaws
En el enlace en inglés se pueden encontrar muchas explicaciones y ejemplos de cada una de las leyes, que a
juicio del equipo que ha diseñado esta tutoría merece la pena explorar, sobre todo si se planea hacer que
esta sección de la tutoría sea un punto importante de la misma.
En pocas palabras, las leyes se pueden resumir de la siguiente manera:
1. Los objetos siguen hacienda lo que hacían antes a no ser que se les aplique una fuerza.
2. F = ma (Claro y preciso, aunque Newton la formuló diciendo a = f/m. Esto se puede utilizar para una
revisión de cómo reorganizar los términos de una ecuación, sustitución de valores, unidades,
proporcionalidad directa e indirecta)
3. Si empujas algo, ese algo te empuja a ti! Se puede pedir a los alumnos que expliquen este principio
utilizando el esquema del funcionamiento de un motor que se incluye en la transparencia.
Transparencias 6 - 7:
Aclaración de los cuatro fuerzas principales que actúan sobre un avión:
Recordar que la Sustentación sólo aparece si hay suficiente flujo de aire sobre el ala. Por esta razón es tan
importante el empuje: ¡los aviones no pueden flotar en el aire si no se mueven!
Resistencia es la resistencia del aire al movimiento del avión. Los alumnos pueden pensar en qué se siente
cuando les da en la cara el aire de un ventilador si se colocan cerca de él. Sienten una fuerza sobre su cara
que es la resistencia.
El Empuje se genera con motores a reacción, de hélice o incluso con un gran ventilador. La Tutoría 2 explica
en más detalle los tipos de motor y su empuje.
El Peso depende mucho de lo que transporte el avión: la cantidad de combustible, la carga y el número de
pasajeros. Hay siempre un máximo para este valor, y ésta es la razón por la cual se pesan las maletas durante
la facturación. Los motores tienen un límite de empuje, lo que limita la sustentación que se genera en las
alas. La sustentación máxima debe ser mayor que el peso total del avión o si no éste no podrá despegar.
Transparencia 8:
Pista de despegue – Las fuerzas que actúan sobre un avión que está quieto sobre la pista son las mismas que
actúan sobre cualquier otro objeto: el peso – aunque sea muy grande – se mantiene debido a que el suelo
ejerce sobre el avión una fuerza de la misma magnitud que éste en sentido contrario al peso: la Reacción, R.
Por eso el avión no se mueve (1ª ley de Newton).
Rodadura (Taxi-ing): Cuando el avión rueda por la pista - lentamente y con cuidado - hacia la pista de
despegue apenas hay resistencia, así que el gráfico no la tiene en cuenta. La fuerza principal que se opone al
movimiento del avión y para la que los motores tienen que generar un empuje superior para que el avión se
mueva es la Fricción, F, entre los neumáticos del avión y el asfalto.
En el Apéndice se han añadido diagramas de fuerza básicos para los distintos tipos de movimiento del avión.
La fotografía muestra los cambios de presión de aire alrededor de un perfil de un ala calculados por
ordenador, con el aire soplando de izquierda a derecha.
Azul/blanco = Baja presión;
Rojo/naranja = Presión mayor a la atmosférica.
Cuando esto ocurre se crea un efecto de succión en la parte superior del ala que hace que el avión se mueva
hacia arriba.
Transparencia 11:
Los motores (o las hélices en aviones más pequeños) generan el empuje que se opone a la resistencia… y
que también crean en las alas sustentación haciendo que el aire se mueva alrededor de ellas mientras los
motores empujan al avión hacia delante.
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Transparencia 12:
Los perfiles alares tienen distintas formas y dimensiones, pero todos se parecen al del gráfico. Los alumnos
tienen que saber lo que es una cuerda – de sus clases de matemáticas -, pero la curvatura media puede que
haya que explicarla. En aeronáutica la curvatura media es la medida de “la asimetría entre la curva superior
e inferior del perfil alar”.
Fuente del gráfico en castellano: http://flight4flyers.com/como-vuela-un-avion/
Transparencia 13:
Si no hay suficiente tiempo, esta transparencia se puede pasar rápidamente. Indicar que la velocidad del
avión es crucial (es el único término que está elevado al cuadrado). La densidad del aire en esta
transparencia se ha considerado constante (a nivel del mar en atmósfera ISA). Si se quiere presentar
también la Transparencia 16, entonces los alumnos pueden pensar un poco sobre el efecto de la densidad
del aire en el resultado final.
Esta transparencia se podría ampliar con sustituciones de valores en la formula si el profesor cree que los
alumnos deben practicarlo, aunque no se recomienda puesto que este ejercicio lleva bastante tiempo y
distrae a los alumnos del tema principal de la tutoría.
Posible Ampliación Se puede preguntar a los alumnos:
¿Qué le pasa a la Sustentación si, a una determinada velocidad y manteniendo el resto de los factores
constantes, se cambian las alas de tal modo que tengan un 15% menos de superficie?
(La sustentación se reduce un 15%; L es directamente proporcional a S.)
¿Qué le pasaría a la Sustentación si un avión multiplica su velocidad por dos, pasando, por ejemplo, de 150
km/h a 300 km/h?
(La sustentación se multiplicaría por 4; L es directamente proporcional a V2).
¿Por qué factor debería reducir un piloto la velocidad para que la sustentación disminuya un 15% y el avión
pueda comenzar la maniobra de descenso?
(Para reducir la sustentación un 15%, el cuadrado de la velocidad se tendría que reducir a un 0.85 de su valor
original, así que la velocidad tendría que ser √0.85 = 0.92. Es decir, la velocidad tendría que reducirse un 8%).
¿Por qué despegan los aviones contra el viento?
(Porque la velocidad de la formula es un valor relativo, refiriéndose a la velocidad a la que el avión vuela
respecto al aire. Si el avión se mueve a una velocidad de 200 km/h, por ejemplo, con un viento en contra que
sopla a 15 km/h, entonces la velocidad del aire sobre las alas es 215 km/h).
¿Por qué aterrizan los aviones contra el viento?
(Porque cuando el avión está en modo de aterrizaje, con los flaps de aterrizaje elevados, el viento actúa
como un freno, ayudando a reducir la velocidad del avión. Además, en algunas ocasiones puede que el piloto
tenga que abortar un aterrizaje y volver a subir, en cuyo caso el viento de frente les ayudaría a despegar en
el caso de que ocurriera esta situación).
Transparencia 14:
Las transparencias 14 y 15 muestran algunas de las tecnologías que se utilizan para hacer funcionar los
aviones.
Hay una fuerza más que se opone al movimiento del avión cuando está en tierra: la Fricción: F = μ R , donde
μ es el coeficiente de fricción del asfalto y R es la reacción del suelo, que es en sentido contrario al peso del
avión (cubrir esto sólo si los alumnos lo han visto antes y se quiere revisar el tema. Ignorar si éste no es el
caso).
A la derecha se ve un Concorde rodando por la pista hacia la pista de despegue; la fricción de los neumáticos
no se ve pero ocurre (que los estudiantes se imaginen la fuerza que haría falta para empujar al avión a
mano).
A la izquierda se ve un motor Trent Rolls Royce 1000, de los que llevan los Boeing 787 desde 2006 (Uno de
los motores turbofan más modernos que están actualmente en producción).
Posible extensión – Pedir a los estudiantes que dibujen el diagrama de fuerzas básico para una aeronave,
quieta sobre la pista de despegue, con las ruedas de su tren de aterrizaje sobre la pista, pero acelerando
rápidamente, por ejemplo, cinco o seis segundos antes de que despegue.
El Apéndice también sugiere un diagrama de fuerzas básico para esta circunstancia. (Sin embargo, hay que
tener en cuenta lo ya dicho: los aviones y las fuerzas que actúan sobre ellos son bastante más complejas de lo
que se explica aquí. Los conceptos se han simplificado para que correspondan al nivel escolar y para reforzar
la relevancia de la mecánica de Newton).
Transparencia 15:
Esta transparencia muestra una distribución de los materiales utilizados para fabricar un Boeing 787.
Los materiales compuestos (composites) son mezclas de dos o más materiales (por ejemplo, un metal y un
plástico). Se usan por todas partes, pero no tienen la resistencia necesaria para algunas partes del avión. Los
soportes de los motores, por ejemplo, son de una aleación de titanio que contiene aluminio – el metal más
fuerte de todos que es un poco más ligero que el aluminio), y la estructura principal del avión está hecha de
aluminio (el metal más ligero) aleado con zinc para aumentar su resistencia.
El “sandwich de carbono” que se menciona en la transparencia no es tal, sino que es una mezcla al 50% de
láminas de aluminio y láminas de fibra de carbono unidas. En el pasado sólo se utilizaba aluminio para el
fuselaje, pero las propiedades mecánicas de la fibra de carbono y su bajo peso ofrecen una combinación
ventajosa para reducir el peso total del avión. La sustitución completa del aluminio por láminas de fibra de
carbono no es posible aún debido a las fuerzas de flexión que se experimentan durante el vuelo, para las que
los materiales reforzados con fibra de carbono no son suficientemente resistentes.
Transparencia 16:
La densidad del aire no es constante. Un avión que despega de un aeropuerto Chino (o de Barajas, que está
sobre una meseta a 600m sobre el nivel del mar) necesitará moverse más rápido para despegar que uno que
despegue de Schiphol (Ámsterdam) para compensar por la reducción en la densidad del aire. Esto puede ser
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un problema si los motores del avión no son suficientemente potentes o si la pista de despegue es
demasiado corta para que el avión tome la velocidad necesaria para despegar. Algunos vuelos despegan con
un peso reducido para poder operar correctamente a alturas en las que la densidad del aire es
considerablemente menor.
La densidad del aire a mayor altitud (una característica de prácticamente cualquier vuelo) también
determinará la altura máxima de crucero – que se calcula utilizando la fórmula y consultando tablas de
referencia (el cambio en la densidad del aire con la altura se conoce y hay tablas disponibles para saber qué
valor tiene). Los cambios atmosféricos de presión (anticiclones y borrascas) también se tienen en cuenta
para estos cálculos.
El gráfico muestra la reducción en la presión del aire y la densidad a medida que aumenta la altura (en km).
El mejor ángulo de ataque (AoA) suele ser 12° - 14°. La mayoría de los aviones tienen las alas a 5° - 8°
respecto al fuselaje para que puedan moverse hacia arriba (alcanzando los 12°-14°) sin que los pasajeros se
encuentren demasiado incómodos con la inclinación (los aviones supersónicos militares son completamente
distintos en este aspecto).
Cuando el ángulo de ataque alcanza un valor determinado la sustentación disminuye rápidamente –
alrededor de 16° - 18°. Durante el despegue, el AoA del avión cambia y su diseño tiene que tener esto en
cuenta.
A medida que aumenta el AoA, también lo hace la resistencia. El dibujo de la Transparencia 20 muestra
cómo, al presentar una mayor superficie al viento con el ala, experimentamos una resistencia mayor.
Esto es fácil de demostrar en una clase tirando una cartulina gruesa al aire de canto (como un frisbee) o
intentando hacerla volar tirándola de frente. Será muy difícil, además de poco eficaz puesto que la cartulina
no caerá muy lejos.
El gráfico de la Transparencia 21 muestra el aumento de la resistencia con el AoA. Este aumento es
exponencial, de tal modo que a medida que el ángulo de ataque aumenta en valor, la proporción del cambio
en la resistencia es mucho mayor. A partir de 12° - 15° el aumento en Resistencia es enorme. El diseño de
los aviones también tiene que tener esto en cuenta.
Transparencia 22:
Preguntar a los alumnos dónde está el punto de entrada en pérdida en el gráfico que se muestra (23°)
¿A qué ángulo de ataque se consigue la sustentación máxima? (Alrededor de 16o si se quiere dar un margen
de seguridad. 18o está demasiado cerca del “borde”).
Para ir en crucero ¿cuál sería el mejor ángulo de ataque? (10°- 12° sería el mejor ángulo de ataque, además
de ser el ángulo máximo al que los pasajeros se encuentran cómodos durante el vuelo).
En el punto en el que el avión entra en pérdida lo que ocurre no es que la resistencia supere a la
sustentación, sino que la sustentación es igual a la resistencia y el avión deja de poder seguir subiendo. A
partir de este punto la sustentación disminuye PERO la resistencia sigue aumentando porque el área del ala
aumenta en el sentido del flujo de aire. De modo que la ENTRADA EN PÉRDIDA se define el punto en el que
la fuerza de sustentación neta deja de aumentar (y comienza a disminuir a medida que aumenta el AoA). El
avión pierde sustentación ¡pero no la pierde toda de golpe y cae a plomo al suelo! (los alumnos puede que
teman un rápido final debido al nombre que describe la situación).
Transparencia 23:
En esta transparencia se mira con atención el diseño de las alas, que cambian de forma gracias a las
superficies de sustentación (flaps) dependiendo de los movimientos que tiene que realizar el avión (por
ejemplo, disminuyendo la sustentación durante el aterrizaje).
Definiciones de las partes del ala:
Larguero (spar) – Principal componente estructural del ala.
Encastre alar (wing root) – Punto en el que el ala se une al fuselaje. La raíz es el lado más próximo del ala y el
más lejano se llama “Punta alar”
Superficie del borde de ataque (leading edge wing skin) – Es la primera parte del ala que se encuentra con
el aire y debe tener una forma curva que “guíe” el flujo de aire hacia donde se necesita.
Superficies de hipersustentación (flaps) – Se utilizan para modificar la forma del ala y para modificar las
propiedades de sustentación dependiendo de la fase del vuelo. Por ejemplo, para aterrizar los flaps se
mueven para reducir la sustentación del ala.
Alerón (aileron) – Esta parte se mueve hacia arriba o hacia abajo durante el vuelo (no durante el despegue o
el aterrizaje) para hacer maniobrar al avión mientras vuela. Se suelen llamar “superficies de control”, puesto
que ayudan a controlar (guiar) el avión. Este punto se cubre en más detalle en las siguientes transparencias
(opcionales).
Transparencia 24:
1 = Crucero
2 = Despegue. Como hemos aumentado el área eficaz del ala esto nos ayudará a subir más
rápidamente evitando que los motores tengan que utilizar toda su potencia.
3 = Aterrizaje. Como la fuerza de sustentación se reduce “separando” el aire de la superficie del ala e
impidiendo el flujo de aire, este perfil se utiliza durante las operaciones de descenso y aterrizaje.
La situación ideal sería que los alumnos fueran capaces de identificar la posición de los flaps después de
haber visto la transparencia anterior.
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Las siguientes tres transparencias son opcionales y sirven para mostrar que las diferentes partes del ala y
otra partes móviles del avión contribuyen a la sustentación del avión y sirven para hacerlo maniobrar en el
aire.
Transparencia 25 - se puede utilizar cualquier objeto alargado (una regla o un lápiz) para mostrar a los
alumnos los tres ejes de movimiento del avión: La guiñada (yaw) mueve el avión hacia la derecha o hacia la
izquierda, el cabeceo (pitch) lo mueve hacia arriba y hacia abajo, y el alabeo (roll) lo mueve alrededor del
eje longitudinal del fuselaje y habitualmente está combinado con uno de los otros dos. De hecho, en muchas
ocasiones el avión se mueve combinando cambios en varios ejes a la vez (como en el caso del ‘giro ladeado’,
que es una combinación de alabeo y cabeceo).
El alabeo sólo ocurre cuando los alerones se mueven en sentidos opuestos.
Antes de pasar a la Transparencia 26 (que muestra qué parte del avión es responsable de cada movimiento)
se puede pedir a los alumnos que averigüen qué partes de un avión se mueven para hacer cada una de las
maniobras.
La Transparencia 27 completa la sección con una vista cenital del avión representando cada una de las
superficies con un color distinto.
Los alumnos que tengan conocimientos previos puede que pregunten qué es ‘el trimado’. Esto ocurre
cuando las superficies de control se mueven y se fijan en una posición determinada para mantener al avión
volando equilibrado, quizás compensando un desequilibrio en la distribución de peso a lo largo del avión
(por ejemplo cuando hay un peso grande al final de la bodega).
Transparencia 28:
Resumen final que refuerza el valor de los estudios de Ciencias en los colegios. Este último párrafo también
se espera que anime a los alumnos a investigar un poco más sobre temas aeronáuticos.
Páginas web que los alumnos pueden visitar:
NASA
Páginas web
12/airplane/forces.html
sobre
sustentación
y
resistencia:
Royal
Aeronautical
Association:
Guía
de
orientación
http://aerosociety.com/Careers-Education/aerospacecareer
https://www.grc.nasa.gov/www/kprofesional
para
jóvenes:
Coventry University: Estudios: http://www.coventry.ac.uk/course-structure/2014/faculty-of-engineeringand-computing/undergraduate/aerospace-systems-engineering-beng-hons/
UPM: Estudios: http://www.eiae.upm.es/
Apéndice
16
18

Fly Higher Guia del profesor T IV La Ciencia de Volar

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